اختر صفحة
انضموا إلى قناتنا على التلجرام
الصفحة الرئيسية » المعجم » حوسبة كمية (Quantum Computing)

حوسبة كمية (Quantum Computing)

ما هي الحوسبة الكمية (Quantum Computing)؟

الحوسبة الكمية (Quantum Computing) هي مجال من مجالات علوم الكمبيوتر يستخدم مبادئ نظرية الكم. تشرح نظرية الكم سلوك الطاقة والمادة على المستويين الذري ودون الذري.
تستخدم الحوسبة الكمية (Quantum Computing) جسيمات دون ذرية، مثل الإلكترونات أو الفوتونات. تسمح البتات الكمية، أو الكيوبتات، لهذه الجسيمات بالوجود في أكثر من حالة (أي 1 و0) في نفس الوقت.
من الناحية النظرية، يمكن للبتات الكمية المرتبطة “استغلال التداخل بين حالاتها الكمية الشبيهة بالموجة لإجراء حسابات قد تستغرق ملايين السنين”.1
تستخدم أجهزة الكمبيوتر التقليدية اليوم تيارًا من النبضات الكهربائية (1 و0) بطريقة ثنائية لترميز المعلومات في شكل بتات. وهذا يحد من قدرتها على المعالجة، مقارنة بالحوسبة الكمية (Quantum Computing).

ملخص لأهم النقاط

  • تستخدم الحوسبة الكمية الظواهر الموجودة في الفيزياء الكمية لإنشاء طرق جديدة للحوسبة.
  • تتضمن الحوسبة الكمية استخدام البتات الكمية.
  • على عكس بت الكمبيوتر العادي، والذي يمكن أن يكون إما 0 أو 1، يمكن أن يوجد البت الكمي في حالة متعددة الأبعاد.
  • تنمو قوة أجهزة الكمبيوتر الكمية بشكل كبير مع زيادة عدد البتات الكمية.
  • لا يمكن لأجهزة الكمبيوتر التقليدية التي تضيف المزيد من البتات زيادة الطاقة إلا بشكل خطي.

مفهوم الحوسبة الكمية

نشأ مجال الحوسبة الكمية في ثمانينيات القرن العشرين. وقد اكتُشِف أن بعض المشكلات الحسابية يمكن معالجتها بكفاءة أكبر باستخدام الخوارزميات الكمية مقارنة بنظيراتها التقليدية.2
تتمتع الحوسبة الكمية بالقدرة على غربلة أعداد هائلة من الاحتمالات واستخراج حلول محتملة لمشاكل وتحديات معقدة. فبينما تخزن أجهزة الكمبيوتر التقليدية المعلومات على هيئة بتات إما 0 أو 1، تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكمية وحدات البت الكمية. وتحمل وحدات البت الكمية المعلومات في حالة كمية تتفاعل مع 0 و1 بطريقة متعددة الأبعاد.3
وقد جذبت هذه الإمكانات الهائلة في مجال الحوسبة وحجم السوق المتوقع لاستخدامها انتباه بعض الشركات البارزة.4 ومن بين هذه الشركات آي بي إم (IBM) ومايكروسوفت (Microsoft) وغوغل (Google) ودي ويفز سيستمز (D-Waves Systems) وعلي بابا (Alibaba) ونوکیا (Nokia) وإنتل (Intel) وإيرباص (Airbus) وإتش بي (HP) وتوشيبا (Toshiba) وميتسوبيشي (Mitsubishi) وإس كيه تيليكوم (SK Telecom) وإن إي سي (NEC) ورايثيون (Raytheon) ولوكهيد مارتن (Lockheed Martin) وريغيتي (Rigetti) وبيوجين (Biogen) وفولكسفاغن (Volkswagen) وأمجين (Amgen).

استخدامات وفوائد الحوسبة الكمية

يمكن أن تساهم الحوسبة الكمية بشكل كبير في مجالات الأمن، والمالية، والشؤون العسكرية والاستخبارات، وتصميم الأدوية واكتشافها، وتصميم الفضاء الجوي، والمرافق (الاندماج النووي)، وتصميم البوليمر، والتعلم الآلي، والذكاء الاصطناعي، والبحث في البيانات الضخمة، والتصنيع الرقمي.
يمكن استخدام أجهزة الكمبيوتر الكمية لتحسين تبادل المعلومات بشكل آمن. أو لتحسين أجهزة الرادار وقدرتها على اكتشاف الصواريخ والطائرات. ومن المجالات الأخرى التي من المتوقع أن تساعد فيها الحوسبة الكمية البيئة والحفاظ على نظافة المياه باستخدام أجهزة الاستشعار الكيميائية.5

وفيما يلي بعض فوائد الحوسبة الكمية:6

  • قد تتمكن المؤسسات المالية من استخدام الحوسبة الكمية لتصميم محافظ استثمارية أكثر فعالية وكفاءة للعملاء الأفراد والمؤسسات. ويمكنها التركيز على إنشاء محاكيات تداول أفضل وتحسين الكشف عن الاحتيال.
  • قد تستخدم صناعة الرعاية الصحية الحوسبة الكمية لتطوير أدوية جديدة ورعاية طبية تستهدف الجينات. كما قد تدعم أبحاث الحمض النووي الأكثر تقدمًا.
  • لتحقيق أمان أقوى عبر الإنترنت، يمكن للحوسبة الكمية أن تساعد في تصميم تشفير أفضل للبيانات وطرق لاستخدام الإشارات الضوئية للكشف عن المتسللين في النظام.
  • يمكن استخدام الحوسبة الكمية لتصميم أنظمة تخطيط الطائرات وحركة المرور أكثر كفاءة وأمانًا.

معلومة عابرة: نسبة الشركات الكبيرة التي تخطط لإنشاء مبادرات حول الحوسبة الكمية بحلول عام 2025 هي 40%، وفقًا لبحث أجرته شركة غارتنر (Gartner).7

مميزات الحوسبة الكمية

التراكب والتشابك هما خاصيتان من خواص الفيزياء الكمية التي تعتمد عليها الحوسبة الكمية. وهما يمكِّنان أجهزة الكمبيوتر الكمية من التعامل مع العمليات بسرعات أعلى بشكل كبير من السرعات التي تتفوق بها أجهزة الكمبيوتر التقليدية وباستهلاك أقل للطاقة.

التراكب

وفقًا لشركة آي بي إم (IBM)، فإن ما يميز البت الكمي هو ما يمكن أن يفعله وليس ما هو عليه. يضع البت الكمي المعلومات الكمية التي يحتويها في حالة تراكب. يشير هذا إلى مجموعة من جميع التكوينات الممكنة للكيوبت. وبحسب الشركة، “يمكن لمجموعات البت الكمي في حالة تراكب أن تخلق مساحات حسابية معقدة ومتعددة الأبعاد. يمكن تمثيل المشكلات المعقدة بطرق جديدة في هذه المساحات”.8

التشابك

التشابك جزء لا يتجزأ من قوة الحوسبة الكمية. يمكن جعل أزواج البتات الكمية متشابكة. وهذا يعني أن البتات الكمية توجد في حالة واحدة. وفي مثل هذه الحالة، يؤثر تغيير بت كمي واحد بشكل مباشر على البت الكمي الآخر بطريقة يمكن التنبؤ بها.
تم تصميم الخوارزميات الكمية للاستفادة من هذه العلاقة لحل المشكلات المعقدة. في حين أن مضاعفة عدد البتات في الكمبيوتر التقليدي يضاعف قوته في المعالجة، فإن إضافة البتات الكمية تؤدي إلى ارتفاع هائل في قوة الحوسبة والقدرة.9

عدم التماسك

يحدث فقدان التماسك عندما يتحلل السلوك الكمي للبتات الكمية. يمكن أن تتعطل الحالة الكمية على الفور بسبب الاهتزازات أو تغيرات درجة الحرارة. يمكن أن يتسبب هذا في خروج البتات الكمية من التراكب والتسبب في ظهور أخطاء في الحوسبة. من المهم حماية البتات الكمية من مثل هذا التداخل، على سبيل المثال، من خلال الثلاجات الفائقة التبريد والعزل وغرف التفريغ.10

محددات الحوسبة الكمية

توفر الحوسبة الكمية إمكانات هائلة للتطورات وحل المشكلات في العديد من الصناعات. ومع ذلك، فهي في الوقت الحالي لها حدودها.

  • يمكن أن يحدث فقدان التماسك أو الاضمحلال نتيجة لأدنى اضطراب في بيئة البت الكمي. ويؤدي هذا إلى انهيار العمليات الحسابية أو حدوث أخطاء فيها. وكما ذكرنا أعلاه، يجب حماية الحاسوب الكمي من كل التدخلات الخارجية أثناء مرحلة الحوسبة.
  • لم يتم إتقان تصحيح الأخطاء أثناء مرحلة الحوسبة. وهذا يجعل العمليات الحسابية غير موثوقة. ولأن البتات الكمية ليست بتات رقمية من البيانات، فإنها لا تستطيع الاستفادة من حلول تصحيح الأخطاء التقليدية التي تستخدمها أجهزة الكمبيوتر التقليدية.
  • إن استرجاع النتائج الحسابية قد يؤدي إلى إفساد البيانات. إن التطورات مثل خوارزمية البحث في قاعدة البيانات التي تضمن أن عملية القياس سوف تتسبب في فك ارتباط الحالة الكمية بالإجابة الصحيحة تحمل وعداً كبيراً.11
  • لم يتم تطوير الأمن والتشفير الكمي بشكل كامل بعد.
  • إن الافتقار إلى وحدات البت الكمية يمنع أجهزة الكمبيوتر الكمية من تحقيق إمكاناتها للاستخدام الفعال. ولم يتمكن الباحثون حتى الآن من إنتاج أكثر من 128 وحدة بت كمية حتى عام 2019.12

وبحسب شركة إيبردولا (Iberdola) الرائدة عالميًا في مجال الطاقة، فإن “أجهزة الكمبيوتر الكمية يجب ألا يكون لديها أي ضغط جوي تقريبًا، ودرجة حرارة محيطة قريبة من الصفر المطلق (-273 درجة مئوية) وعزل عن المجال المغناطيسي للأرض لمنع الذرات من الحركة، أو الاصطدام مع بعضها البعض، أو التفاعل مع البيئة”.
وبالإضافة إلى ذلك، “تعمل هذه الأنظمة لفترات زمنية قصيرة للغاية، وبالتالي تتلف المعلومات ولا يمكن تخزينها، مما يجعل استرداد البيانات أكثر صعوبة”.13

الحاسوب الكمي والحاسوب التقليدي

تتمتع أجهزة الكمبيوتر الكمية ببنية أكثر أساسية من أجهزة الكمبيوتر التقليدية. فهي لا تحتوي على ذاكرة أو معالج. وكل ما يستخدمه الكمبيوتر الكمي هو مجموعة من البتات الكمية الفائقة التوصيل.14
تعالج أجهزة الكمبيوتر الكمية وأجهزة الكمبيوتر التقليدية المعلومات بشكل مختلف. يستخدم الكمبيوتر الكمي وحدات البت الكمية لتشغيل خوارزميات كمية متعددة الأبعاد. تزداد قوة معالجته بشكل كبير مع إضافة وحدات البت الكمية. يستخدم المعالج التقليدي وحدات البت لتشغيل برامج مختلفة. تزداد قوته بشكل خطي مع إضافة المزيد من البتات. تتمتع أجهزة الكمبيوتر التقليدية بقوة حوسبة أقل بكثير.
تعتبر أجهزة الكمبيوتر التقليدية أفضل للمهام اليومية ولديها معدلات خطأ منخفضة. تعد أجهزة الكمبيوتر الكمية مثالية لمستوى أعلى من المهام، على سبيل المثال، تشغيل عمليات المحاكاة، وتحليل البيانات (مثل التجارب الكيميائية أو الدوائية)، وإنشاء بطاريات موفرة للطاقة. كما يمكن أن تكون معدلات الخطأ فيها عالية.
لا تحتاج أجهزة الكمبيوتر التقليدية إلى عناية خاصة إضافية. فقد تستخدم مروحة داخلية أساسية لمنع ارتفاع درجة حرارتها. وتحتاج المعالجات الكمية إلى الحماية من أدنى الاهتزازات ويجب الحفاظ عليها باردة للغاية. ولابد من استخدام سوائل فائقة التبريد لهذا الغرض.15
تعتبر أجهزة الكمبيوتر الكمية أكثر تكلفة وصعوبة في البناء من أجهزة الكمبيوتر التقليدية.

معلومة هامة: في عام 2019، استعرضت شركة غوغل (Google) حاسوبًا كميًا يمكنه حل مشكلة في دقائق، بينما يستغرق الحاسوب التقليدي 10 آلاف عام لحلها.16

تطوير أجهزة الكمبيوتر الكمية

  • غوغل (Google)

تنفق شركة غوغل (Google) مليارات الدولارات لبناء حاسوبها الكمي بحلول عام 2029. وقد افتتحت الشركة مقرًا لها في كاليفورنيا يُدعى غوغل ايه آي (Google AI) لمساعدتها في تحقيق هذا الهدف. وبمجرد تطويره، يمكن لشركة غوغل (Google) إطلاق خدمة الحوسبة الكمية عبر السحابة.17

  • آي بي إم (IBM)

تخطط شركة آي بي إم (IBM) لإطلاق حاسوب كمي بسعة 1000 كيوبت بحلول عام 2023. وفي الوقت الحالي، تسمح آي بي إم (IBM) بالوصول إلى أجهزتها لمنظمات الأبحاث والجامعات والمختبرات التي تعد جزءًا من شبكتها الكمية.18

  • مايكروسوفت (Microsoft)

تقدم مايكروسوفت (Microsoft) للشركات إمكانية الوصول إلى تقنية الكم عبر منصة أزور کوانتم (Azure Quantum).19

  • آخرون

هناك اهتمام بالحوسبة الكمية وتقنيتها من قبل شركات الخدمات المالية مثل جي بي مورغان تشيس (JPMorgan Chase) وفيزا (Visa).20 21

أسئلة شائعة

ما هي الحوسبة الكمية بعبارات بسيطة؟

تتعلق الحوسبة الكمية بالحوسبة التي تتم بواسطة حاسوب كمي. وبالمقارنة بالحوسبة التقليدية التي تتم بواسطة حاسوب تقليدي، ينبغي أن يكون الحاسوب الكمي قادرًا على تخزين المزيد من المعلومات والعمل باستخدام خوارزميات أكثر كفاءة. وهذا يعني حل المهام المعقدة للغاية بشكل أسرع.

ما مدى صعوبة بناء حاسوب كمي؟

يستغرق بناء حاسوب كمي وقتًا طويلًا ومكلفًا للغاية. تعمل شركة غوغل (Google) على بناء حاسوب كمي لسنوات وأنفقت مليارات الدولارات. وتتوقع أن يكون حاسوبها الكمي جاهزًا بحلول عام 2029.22 في نوفمبر 2022، أعلنت غوغل (Google) عن نظام 433 كيوبت، تبعه بعد عام إعلان شركة آي بي إم (IBM) عن كوندور (Condor)، وهو معالج كمي فائق التوصيل يحتوي على 1121 كيوبت. في ذلك الوقت، طرحت آي بي إم (IBM) خارطة طريقها لعام 2033، قائلة إنها تستهدف بلو جاي (Blue Jay)، وهو نظام قادر على تنفيذ مليار بوابة عبر 2000 كيوبت بحلول عام 2033.23 24

كم تكلفة الحاسوب الكمي؟

يكلف بناء الكمبيوتر الكمي مليارات الدولارات. ومع ذلك، في عام 2020، خططت شركة شنتشن سبین کیو تكنولوجي (Shenzhen SpinQ Technology) التي يقع مقرها في الصين لبيع كمبيوتر كمي مكتبي بقيمة 5000 دولار للمستهلكين كالمدارس والكليات. في العام السابق، بدأت الشركة في بيع كمبيوتر كمي مقابل 50 ألف دولار.25

ما مدى سرعة الكمبيوتر الكمي؟

إن الكمبيوتر الكمي أسرع بعدة مرات من الكمبيوتر التقليدي أو الكمبيوتر العملاق. ويقال إن الكمبيوتر الكمي سايكامور (Sycamore) الذي تعمل شركة غوغل (Google) على تطويره قد أجرى عملية حسابية في 200 ثانية، مقارنة بـ 10.000 عام التي قد يستغرقها أحد أسرع أجهزة الكمبيوتر في العالم – وهو سوميت (Summit) من آي بي إم (IBM) – لحلها.26 وقد طعنت شركة آي بي إم (IBM) في ادعاء غوغل (Google)، قائلة إن الكمبيوتر العملاق الخاص بها يمكنه حل الحساب في 2.5 يوم. ومع ذلك، فإن هذا أبطأ بـ 1000 مرة من جهاز غوغل (Google) الكمي.27

الخلاصة

تختلف الحوسبة الكمية اختلافًا كبيرًا عن الحوسبة التقليدية. فهي تستخدم وحدات البت الكمية، والتي يمكن أن تكون 1 أو 0 في نفس الوقت. تستخدم أجهزة الكمبيوتر التقليدية وحدات البت، والتي يمكن أن تكون 1 أو 0 فقط.
ونتيجة لهذا، أصبحت الحوسبة الكمية أسرع وأقوى بكثير. ومن المتوقع استخدامها لحل مجموعة متنوعة من المهام المعقدة للغاية والتي تستحق العناء.
على الرغم من محدودية هذه الفكرة في الوقت الحالي، إلا أنها جاهزة للاستخدام من قبل العديد من الشركات القوية في عدد لا يحصى من الصناعات.

هوامش

  1. Scientific American. “Google Publishes Landmark Quantum Supremacy Claim.“
  2. Science Museum. “Quantum Computing: What, Who, How and When?“
  3. Scientific American. “Google Publishes Landmark Quantum Supremacy Claim.“
  4. Quantum Insider. “Quantum Computing Companies.“
  5. University of Waterloo. “The Future Is Quantum.”
  6. Iberdrola. “Quantum Computing and Supercomputers Will Revolutionise Technology.“
  7. Gartner. “Gartner IT Symposium/Xpo 2021 Americas: Day 2 Highlights.“
  8. IBM. “What is Quantum Computing?“
  9. MIT Technology Review. “Explainer: What is a Quantum Computer?“
  10. MIT Technology Review. “Explainer: What is a Quantum Computer?“
  11. TechTarget. “Quantum Computing.“
  12. MIT Technology Review. “Explainer: What is a Quantum Computer?“
  13. Iberdrola. “Quantum Computing and Supercomputers Will Revolutionise Technology.“
  14. Iberdrola. “Quantum Computing and Supercomputers Will Revolutionise Technology.“
  15. CB Insights. “Quantum Computing vs. Classical Computing in One Graphic.”
  16. Scientific American. “Google Publishes Landmark Quantum Supremacy Claim.“
  17. The Wall Street Journal. “Google Aims for Commercial-Grade Quantum Computer by 2029.”
  18. Nature. “How to Get Started in Quantum Computing.”
  19. Microsoft. “Azure Quantum.“
  20. JP Morgan Chase. “Global Technology Applied Research.“
  21. Visa Research. “Research Areas.“
  22. The Wall Street Journal. “Google Aims for Commercial-Grade Quantum Computer by 2029.”
  23. IBM. “The Hardware and Software for the Era of Quantum Utility Is Here.“
  24. Google. “Our Progress Toward Quantum Error Correction.“
  25. Discover. “A Desktop Quantum Computer For Just $5,000.“
  26. Medium. “Google’s Quantum Computer Is About 158 Million Times Faster Than the World’s Fastest Supercomputer.“
  27. Scientific American. “Google Publishes Landmark Quantum Supremacy Claim.“
اشترك في نشرتنا الإخبارية
اشترك في نشرتنا الإخبارية

 

انضم إلى قائمتنا البريدية لتلقي آخر الأخبار والتحديثات من فريقنا.

لقد تم اشتراكك بنجاح!

Share This